在金剛石砧座中對預(yù)壓樣品進(jìn)行XFEL泵浦-探測實(shí)驗(yàn)的示意圖。(A)XFEL泵和探針實(shí)驗(yàn)的科學(xué)幾何學(xué)。(DAC內(nèi)4微米厚的家模巨
鐵箔照片，周圍有揮發(fā)性流體:H2O(上)和二氧化碳(下)。擬早(C)在Fe + H2O(左)和Fe + CO2(右)系統(tǒng)中XFEL誘導(dǎo)反應(yīng)下的期地球大氣演XRD圖像和圖案。貸方:uux.cn/科學(xué)進(jìn)展，化過doi: 10.1126/sciadv.adi6096
（神秘的程中地球uux.cn）據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)（塔瑪拉西·吉萬達(dá)拉）：大氣和巖漿海洋中由巨大撞擊驅(qū)動的氧化還原過程可能在地球演化過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。然而，撞擊造成缺少那個時代的氧化巖石記錄使得理解這些過程變得很困難。
在科學(xué)進(jìn)展發(fā)表的行星一份報告中，Jinhuyuk Choi和一個由首爾、科學(xué)
德國和韓國的家模巨行星科學(xué)家組成的研究小組提交了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這些結(jié)果可以使用X射線自由電子激光模擬鐵和揮發(fā)物之間的擬早巨大碰撞驅(qū)動反應(yīng)。
科學(xué)家們使用X射線自由電子激光泵將鐵氧化為wüstite，期地球大氣演并將揮發(fā)物還原為氫氣和一氧化碳。化過鐵氧化形成氫化物和菱鐵礦，暗示著氧化還原邊界。這些發(fā)現(xiàn)揭示了創(chuàng)造還原大氣的過程，這是早期地球上出現(xiàn)前生物有機(jī)分子的基礎(chǔ)。
地球的演化和生命的起源
導(dǎo)致45億年前月球形成的早期巨大撞擊是地球演化的災(zāi)難性決定因素。由于這種巨大的撞擊效應(yīng)，在蒸汽大氣和巖漿海洋中發(fā)生的全球化學(xué)混合和氧化還原過程導(dǎo)致了在還原大氣中的放氣和過渡形成；生命起源的先決條件。
雖然各種研究提出了地球早期地幔和大氣氧化還原過程的可能場景，但研究人員將前生物物種的形成歸因于地球的低氧逸度。自太古代以來，地球的地幔被氧化到今天的水平，含有水、二氧化碳和氮。為了進(jìn)行再現(xiàn)早期地球條件的數(shù)值模擬，研究人員需要開發(fā)適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法來驗(yàn)證巨大的撞擊引發(fā)的反應(yīng)。
XFEL泵脈沖的能量分布以及壓力和溫度的時間演化。(A)將MFI誘發(fā)的能量(即不同模型中撞擊的比能與Carter等人(25)采用的proto-Earth的相應(yīng)內(nèi)部能量增益)與本研究中使用的XFEL泵輸送的峰值能量進(jìn)行比較。由藍(lán)色矩形包圍的區(qū)域表示本研究中使用的XFEL泵所達(dá)到的條件。(B)XFEL泵產(chǎn)生的鐵的溫度演變示意圖，修改自丈夫等人(39)。圖表頂部的數(shù)字表示(I)皮秒內(nèi)發(fā)生的等容加熱，(ii)電子-離子平衡，其中電子的激發(fā)將熱量傳遞給組成晶格的離子，(iii)等熵釋放，和(iv)等壓冷卻。插圖顯示了本研究中使用的重復(fù)頻率為30赫茲的XFEL泵產(chǎn)生的熱量的非累積性。(C)XFEL泵中心周圍的熱能分布是α-Fe中徑向距離和穿透深度的函數(shù)。半峰半寬。貸方:uux.cn/科學(xué)進(jìn)展，doi: 10.1126/sciadv.adi6096
月球形成的影響可能已經(jīng)蒸發(fā)了大量的硅酸鹽地球，形成了蒸汽大氣，并擴(kuò)大了巖漿海洋，導(dǎo)致來自原生地球和分化的撞擊器的物質(zhì)之間的全球混合。行星科學(xué)家假設(shè)，月球形成的撞擊會在撞擊器和原地球的不同化合物之間引發(fā)激烈的化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生早期生命。
作為結(jié)構(gòu)探測器的x射線自由電子激光器
因?yàn)閄射線自由電子激光器是波蕩磁鐵產(chǎn)生的X射線能量范圍內(nèi)最亮的人造光源。該團(tuán)隊(duì)整合了自放大自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的類似激光的超短脈沖結(jié)構(gòu)。
在這項(xiàng)工作中，Choi和他的同事們使用X射線自由電子激光來泵浦和探測預(yù)先壓縮的重金屬、揮發(fā)性水和二氧化碳的混合物，以模擬撞擊器的金屬核心和原地球中存在的揮發(fā)物之間的化學(xué)反應(yīng)。這些結(jié)果為巨大的撞擊驅(qū)動的鐵氧化提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，導(dǎo)致了生命起源所需的早期進(jìn)化途徑。
模擬巨大撞擊引發(fā)的環(huán)境
在實(shí)驗(yàn)過程中，科學(xué)家們使用了各種材料，并根據(jù)沉積的能量估計(jì)了單個X射線自由電子激光脈沖照射下鐵箔的溫度，以對應(yīng)于被照射樣品吸收的脈沖能量。通過激光沖擊壓縮，壓力持續(xù)皮秒的瞬間，能量密度增加。
雖然巨大撞擊和它的實(shí)驗(yàn)?zāi)M在時間尺度上的差異仍然存在，但是X射線泵浦能量覆蓋了大部分巨大撞擊驅(qū)動的條件。
巨型撞擊后地球全球氧化還原反應(yīng)的一個建議方案。大撞擊前后早期地球大氣和地幔的演化示意圖。貸方:uux.cn/科學(xué)進(jìn)展，doi: 10.1126/sciadv.adi6096
Choi和他的團(tuán)隊(duì)還確定了X射線探針脈沖的壓力和溫度，并確定了對鐵-水系統(tǒng)的影響。當(dāng)研究小組在每串脈沖后的某個時間用額外的脈沖探測樣本時，產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生了額外的氫作為二次氧化產(chǎn)物。
此外，Choi和他的團(tuán)隊(duì)對鐵-二氧化碳系統(tǒng)進(jìn)行了X射線自由電子激光，其中氧化亞鐵與二氧化碳進(jìn)一步反應(yīng)，通過連續(xù)脈沖形成菱鐵礦。
回收樣品的顯微鏡觀察
在用聚焦離子束和電子顯微鏡探測回收樣品的橫截面后，科學(xué)家們對實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)途徑有了進(jìn)一步的了解。
為了了解硅酸鹽在巨大撞擊驅(qū)動的反應(yīng)中的作用，研究小組對鐵-水-硅酸鹽系統(tǒng)進(jìn)行了原位激光加熱實(shí)驗(yàn)。他們注意到硅酸鹽的存在如何不影響鐵的氧化或還原物質(zhì)的產(chǎn)生。雖然在月球形成撞擊之前，大量硅酸鹽地球上的水和二氧化碳的數(shù)量是非常有爭議的，但存在一種假設(shè)，即反應(yīng)物完全參與了巨大的撞擊引發(fā)的反應(yīng)。
觀點(diǎn)
通過這種方式，Jinhuyuk Choi和他的同事們提出了一個早期大氣和地幔的巨大撞擊驅(qū)動氧化還原過程的方案。他們觀察到氧化鐵形成和鐵氫化的程度與鐵和水反應(yīng)產(chǎn)生的壓力成反比。在預(yù)壓縮鐵上進(jìn)行的X射線自由電子激光泵浦-探測實(shí)驗(yàn)，混合了揮發(fā)性物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了巖漿海洋中巨大的沖擊驅(qū)動反應(yīng)。
研究小組估計(jì)了氧化鐵種類和還原揮發(fā)物的數(shù)量。該團(tuán)隊(duì)在工作中支持忒伊亞假說，該假說描述了原生地球和一個名為忒伊亞的天體之間的碰撞。這些結(jié)果解釋了氧化地幔和還原大氣的時間和全球構(gòu)造，以促進(jìn)早期地球上生命的出現(xiàn)。
